Как да определим състоянието на материята. Агрегатно състояние

Въпросите за това какво е агрегатно състояние, какви характеристики и свойства притежават твърди вещества, течности и газове се разглеждат в няколко курса за обучение. Има три класически състояния на материята със свои собствени характерни черти на структурата. Тяхното разбиране е важен момент в разбирането на науките за Земята, живите организми и производствените дейности. Тези въпроси се изучават от физиката, химията, географията, геологията, физикохимията и други научни дисциплини. Веществата, които при определени условия са в едно от трите основни вида състояние, могат да се променят с повишаване или намаляване на температурата или налягането. Нека разгледаме възможните преходи от едно състояние на агрегиране в друго, както се извършват в природата, технологиите и ежедневието.

Какво е агрегатно състояние?

Думата от латински произход "aggrego" в превод на руски означава "закрепване". Научният термин се отнася до състоянието на същото тяло, субстанция. Съществуването на твърди вещества, газове и течности при определени температурни стойности и различно налягане е характерно за всички черупки на Земята. Освен трите основни агрегатни състояния има и четвърто. При повишена температура и постоянно налягане газът се превръща в плазма. За да разберем по-добре какво е агрегатно състояние, е необходимо да запомним най-малките частици, които изграждат веществата и телата.

Диаграмата по-горе показва: а - газ; b - течност; c е твърдо тяло. В такива фигури кръговете показват структурните елементи на веществата. Това е символ, всъщност атомите, молекулите, йоните не са твърди топки. Атомите се състоят от положително заредено ядро, около което отрицателно заредените електрони се движат с висока скорост. Познаването на микроскопичната структура на материята помага да се разберат по-добре разликите, които съществуват между различните агрегатни форми.

Представи за микросвета: от Древна Гърция до 17 век

Първите сведения за частиците, изграждащи физическите тела, се появяват в древна Гърция. Мислителите Демокрит и Епикур въведоха такова понятие като атом. Те вярвали, че тези най-малки неделими частици от различни вещества имат форма, определени размери, способни са на движение и взаимодействие помежду си. Атомистиката става най-напредналото учение на древна Гърция за времето си. Но развитието му се забавя през Средновековието. Оттогава учените са преследвани от инквизицията на Римокатолическата църква. Следователно до съвремието не е имало ясна концепция за това какво е агрегатното състояние на материята. Едва след 17 век учените Р. Бойл, М. Ломоносов, Д. Далтон, А. Лавоазие формулират разпоредбите на атомно-молекулярната теория, които не са загубили своето значение и днес.

Атоми, молекули, йони - микроскопични частици от структурата на материята

Значителен пробив в разбирането на микрокосмоса настъпва през 20-ти век, когато е изобретен електронният микроскоп. Като се вземат предвид откритията, направени от учените по-рано, беше възможно да се състави хармонична картина на микросвета. Теориите, описващи състоянието и поведението на най-малките частици материя, са доста сложни, те принадлежат към областта.За да разберете особеностите на различните агрегатни състояния на материята, е достатъчно да знаете имената и особеностите на основните структурни частици, които образуват различни вещества.

1. Атомите са химически неделими частици. Запазва се при химични реакции, но се унищожава при ядрени. Металите и много други вещества с атомна структура имат твърдо агрегатно състояние при нормални условия.
2. Молекулите са частици, които се разграждат и образуват при химични реакции. кислород, вода, въглероден диоксид, сяра. Състоянието на агрегация на кислород, азот, серен диоксид, въглерод, кислород при нормални условия е газообразно.
3. Йоните са заредени частици, в които се превръщат атомите и молекулите, когато получават или губят електрони - микроскопични отрицателно заредени частици. Много соли имат йонна структура, например готварска сол, железен и меден сулфат.

Има вещества, чиито частици са разположени в пространството по определен начин. Подреденото взаимно разположение на атоми, йони, молекули се нарича кристална решетка. Обикновено йонните и атомните кристални решетки са типични за твърди тела, молекулярните - за течности и газове. Диамантът има висока твърдост. Неговата атомна кристална решетка се формира от въглеродни атоми. Но мекият графит също се състои от атоми на този химичен елемент. Само те са разположени различно в пространството. Обичайното агрегатно състояние на сярата е твърдо, но при високи температури веществото се превръща в течност и аморфна маса.

Вещества в твърдо агрегатно състояние

Твърдите вещества при нормални условия запазват своя обем и форма. Например песъчинка, захар, сол, парче скала или метал. Ако захарта се нагрее, веществото започва да се топи, превръщайки се в вискозна кафява течност. Спрете отоплението - отново получаваме твърдо вещество. Това означава, че едно от основните условия за преминаване на твърдо вещество в течност е неговото нагряване или увеличаване на вътрешната енергия на частиците на веществото. Твърдото агрегатно състояние на солта, която се използва в храната, също може да бъде променено. Но за да разтопите трапезната сол, ви е необходима по-висока температура, отколкото при нагряване на захар. Факт е, че захарта се състои от молекули, а трапезната сол се състои от заредени йони, които се привличат по-силно един към друг. Твърдите вещества в течна форма не запазват формата си, тъй като кристалните решетки се разрушават.

Течното агрегатно състояние на солта по време на топенето се обяснява с разкъсването на връзката между йоните в кристалите. Отделят се заредени частици, които могат да носят електрически заряди. Разтопените соли провеждат електричество и са проводници. В химическата, металургичната и инженерната промишленост твърдите вещества се превръщат в течности, за да се получат нови съединения от тях или да им се придаде различна форма. Металните сплави са широко използвани. Има няколко начина за тяхното получаване, свързани с промени в агрегатното състояние на твърдите суровини.

Течността е едно от основните агрегатни състояния

Ако налеете 50 ml вода в облодънна колба, ще забележите, че веществото веднага приема формата на химически съд. Но веднага щом излеем водата от колбата, течността веднага ще се разтече по повърхността на масата. Обемът на водата ще остане същият - 50 ml, а формата й ще се промени. Тези характеристики са характерни за течната форма на съществуване на материята. Течностите са много органични вещества: алкохоли, растителни масла, киселини.

Млякото е емулсия, тоест течност, в която има капчици мазнина. Полезен течен минерал е маслото. Извлича се от кладенци с помощта на сондажни платформи на сушата и в океана. Морската вода също е суровина за индустрията. Разликата му от прясната вода на реките и езерата се състои в съдържанието на разтворени вещества, главно соли. По време на изпаряване от повърхността на водните тела само молекулите на H 2 O преминават в състояние на пара, остават разтворени вещества. На това свойство се основават методите за получаване на полезни вещества от морската вода и методите за нейното пречистване.

При пълно отстраняване на солите се получава дестилирана вода. Кипи при 100°C и замръзва при 0°C. Саламурата кипи и се превръща в лед при различни температури. Например водата в Северния ледовит океан замръзва при повърхностна температура от 2°C.

Агрегатното състояние на живака при нормални условия е течност. Този сребристосив метал обикновено се пълни с медицински термометри. При нагряване живачната колона се издига на скалата, веществото се разширява. Защо се използва алкохол, тониран с червена боя, а не с живак? Това се обяснява със свойствата на течния метал. При 30-градусови студове състоянието на агрегация на живака се променя, веществото става твърдо.

Ако медицинският термометър е счупен и живакът се е разлял, тогава е опасно да събирате сребърни топки с ръцете си. Вредно е да се вдишват живачни пари, това вещество е много токсично. Децата в такива случаи трябва да потърсят помощ от родители, възрастни.

газообразно състояние

Газовете не могат да запазят своя обем или форма. Напълнете колбата до горе с кислород (химичната му формула е O 2). Веднага след като отворим колбата, молекулите на веществото ще започнат да се смесват с въздуха в стаята. Това се дължи на брауновото движение. Дори древногръцкият учен Демокрит вярва, че частиците на материята са в постоянно движение. В твърдите тела при нормални условия атомите, молекулите, йоните нямат възможност да напуснат кристалната решетка, да се освободят от връзки с други частици. Това е възможно само когато голямо количество енергия се доставя отвън.

В течностите разстоянието между частиците е малко по-голямо, отколкото в твърдите вещества; те изискват по-малко енергия за разрушаване на междумолекулните връзки. Например, течното агрегатно състояние на кислорода се наблюдава само когато температурата на газа спадне до −183 °C. При -223 ° C, O 2 молекулите образуват твърдо вещество. Когато температурата се повиши над дадените стойности, кислородът се превръща в газ. Именно в тази форма е при нормални условия. В промишлените предприятия има специални инсталации за отделяне на атмосферния въздух и получаване на азот и кислород от него. Първо въздухът се охлажда и втечнява, след което температурата постепенно се повишава. Азотът и кислородът се превръщат в газове при различни условия.

Атмосферата на Земята съдържа 21% кислород и 78% азот по обем. В течна форма тези вещества не се срещат в газовата обвивка на планетата. Течният кислород има светлосин цвят и се пълни при високо налягане в бутилки за използване в медицински заведения. В промишлеността и строителството втечнените газове са необходими за много процеси. Кислородът е необходим за газово заваряване и рязане на метали, в химията - за окислителните реакции на неорганични и органични вещества. Ако отворите вентила на кислородна бутилка, налягането намалява, течността се превръща в газ.

Втечненият пропан, метан и бутан намират широко приложение в енергетиката, транспорта, индустрията и бита. Тези вещества се получават от природен газ или по време на крекинг (разцепване) на петролна суровина. Въглеродните течни и газообразни смеси играят важна роля в икономиката на много страни. Но запасите от нефт и природен газ са силно изчерпани. Според учените тази суровина ще издържи 100-120 години. Алтернативен източник на енергия е въздушният поток (вятър). Бързо течащите реки, приливите и отливите по бреговете на моретата и океаните се използват за работа на електроцентрали.

Кислородът, подобно на други газове, може да бъде в четвърто състояние на агрегация, представляващо плазма. Необичаен преход от твърдо към газообразно състояние е характерна черта на кристалния йод. Тъмно лилаво вещество претърпява сублимация - превръща се в газ, заобикаляйки течното състояние.

Как се извършват преходите от една агрегатна форма на материята в друга?

Промените в агрегатното състояние на веществата не са свързани с химични трансформации, това са физически явления. Когато температурата се повиши, много твърди вещества се топят и се превръщат в течности. По-нататъшното повишаване на температурата може да доведе до изпаряване, тоест до газообразно състояние на веществото. В природата и икономиката такива преходи са характерни за едно от основните вещества на Земята. Лед, течност, пара са състоянията на водата при различни външни условия. Съединението е същото, формулата му е H 2 O. При температура от 0 ° C и под тази стойност водата кристализира, тоест се превръща в лед. Когато температурата се повиши, получените кристали се разрушават - ледът се топи, отново се получава течна вода. Когато се нагрява, се образува изпарение - превръщането на водата в газ - протича дори при ниски температури. Например, замръзналите локви постепенно изчезват, защото водата се изпарява. Дори при мразовито време мокрите дрехи изсъхват, но този процес е по-дълъг, отколкото в горещ ден.

Всички изброени преходи на водата от едно състояние в друго са от голямо значение за природата на Земята. Атмосферните явления, климатът и времето са свързани с изпаряването на водата от повърхността на океаните, преноса на влага под формата на облаци и мъгла към сушата, валежите (дъжд, сняг, градушка). Тези явления формират основата на световния воден цикъл в природата.

Как се променят агрегатните състояния на сярата?

При нормални условия сярата е ярки лъскави кристали или светложълт прах, т.е. тя е твърдо вещество. Агрегатното състояние на сярата се променя при нагряване. Първо, когато температурата се повиши до 190 ° C, жълтото вещество се топи, превръщайки се в подвижна течност.

Ако бързо излеете течна сяра в студена вода, ще получите кафява аморфна маса. При по-нататъшно нагряване на сярната стопилка тя става все по-вискозна и потъмнява. При температури над 300 ° C състоянието на агрегация на сярата се променя отново, веществото придобива свойствата на течност, става подвижно. Тези преходи възникват поради способността на атомите на елемента да образуват вериги с различна дължина.

Защо веществата могат да бъдат в различни агрегатни състояния?

Състоянието на агрегиране на сярата - просто вещество - е твърдо при нормални условия. Серният диоксид е газ, сярната киселина е мазна течност, по-тежка от водата. За разлика от солната и азотната киселина, той не е летлив, молекулите не се изпаряват от повърхността му. Какво агрегатно състояние има пластмасовата сяра, която се получава чрез нагряване на кристали?

В аморфна форма веществото има структура на течност с лека течливост. Но пластмасовата сяра едновременно запазва формата си (като твърдо вещество). Има течни кристали, които имат редица характерни свойства на твърдите тела. По този начин състоянието на материята при различни условия зависи от нейната природа, температура, налягане и други външни условия.

Какви са особеностите в структурата на твърдите тела?

Съществуващите различия между основните агрегатни състояния на материята се обясняват с взаимодействието между атомите, йоните и молекулите. Например, защо твърдото агрегатно състояние на материята води до способността на телата да поддържат обем и форма? В кристалната решетка на метал или сол структурните частици се привличат една към друга. В металите положително заредените йони взаимодействат с така наречения "електронен газ" - натрупването на свободни електрони в парче метал. Кристалите на солта възникват поради привличането на противоположно заредени частици - йони. Разстоянието между горните структурни единици на твърдите вещества е много по-малко от размера на самите частици. В този случай действа електростатично привличане, което дава сила, а отблъскването не е достатъчно силно.

За да се разруши твърдото агрегатно състояние на дадено вещество, трябва да се положат усилия. Метали, соли, атомни кристали се топят при много високи температури. Например желязото става течно при температури над 1538 °C. Волфрамът е огнеупорен и се използва за направата на нишки с нажежаема жичка за електрически крушки. Има сплави, които стават течни при температури над 3000 °C. Много от тях на Земята са в твърдо състояние. Тази суровина се добива с помощта на оборудване в мини и кариери.

За да се отдели дори един йон от кристал, е необходимо да се изразходва голямо количество енергия. Но в крайна сметка е достатъчно да разтворите сол във вода, за да се разпадне кристалната решетка! Това явление се обяснява с удивителните свойства на водата като полярен разтворител. Молекулите на H 2 O взаимодействат с йоните на солта, разрушавайки химичната връзка между тях. По този начин разтварянето не е просто смесване на различни вещества, а физическо и химично взаимодействие между тях.

Как взаимодействат молекулите на течностите?

Водата може да бъде течна, твърда и газообразна (пара). Това са неговите основни агрегатни състояния при нормални условия. Молекулите на водата са изградени от един кислороден атом с два водородни атома, свързани с него. В молекулата има поляризация на химичната връзка, върху кислородните атоми се появява частичен отрицателен заряд. Водородът става положителен полюс в молекулата и се привлича от кислородния атом на друга молекула. Това се нарича "водородна връзка".

Течното агрегатно състояние се характеризира с разстояния между структурните частици, сравними с техните размери. Атракцията съществува, но е слаба, така че водата не запазва формата си. Изпаряването възниква поради разрушаването на връзките, което се случва на повърхността на течността дори при стайна температура.

Има ли междумолекулни взаимодействия в газовете?

Газообразното състояние на веществото се различава от течното и твърдото състояние по редица параметри. Между структурните частици на газовете има големи празнини, много по-големи от размера на молекулите. В този случай силите на привличане изобщо не работят. Газообразното агрегатно състояние е характерно за веществата, присъстващи в състава на въздуха: азот, кислород, въглероден диоксид. На фигурата по-долу първият куб е пълен с газ, вторият с течност, а третият с твърдо вещество.

Много течности са летливи; молекулите на дадено вещество се откъсват от тяхната повърхност и преминават във въздуха. Например, ако донесете памучен тампон, потопен в амоняк, до отвора на отворена бутилка солна киселина, се появява бял дим. Точно във въздуха протича химическа реакция между солна киселина и амоняк, получава се амониев хлорид. В какво агрегатно състояние е това вещество? Неговите частици, които образуват бял дим, са най-малките твърди кристалчета сол. Този експеримент трябва да се проведе под аспиратор, веществата са токсични.

Заключение

Агрегатното състояние на газа е изследвано от много изключителни физици и химици: Авогадро, Бойл, Гей-Люсак, Клайперон, Менделеев, Льо Шателие. Учените са формулирали закони, които обясняват поведението на газообразните вещества в химичните реакции при промяна на външните условия. Отворените закономерности не само влязоха в училищните и университетските учебници по физика и химия. Много химически индустрии се основават на знания за поведението и свойствата на веществата в различни агрегатни състояния.

Агрегатни състояния на материята (от лат. aggrego - прикрепям, свързвам) - това са състояния на едно и също вещество, преходите между които съответстват на резки промени в свободната енергия, ентропията, плътността и други физични параметри на веществото.

Газ (фр. gaz, произлизащо от гръцкото chaos - хаос) е агрегатно състояние на материята, при което силите на взаимодействие на нейните частици, запълващи целия предоставен им обем, са незначителни. При газовете междумолекулните разстояния са големи и молекулите се движат почти свободно.

• Газовете могат да се разглеждат като силно прегряти или слабо наситени пари.
• Над повърхността на всяка течност поради изпаряване има пара. Когато налягането на парите се повиши до определена граница, наречена налягане на наситени пари, изпарението на течността спира, тъй като налягането на парите и течността става същото.
• Намаляването на обема на наситената пара води до кондензиране на част от парата, а не до повишаване на налягането. Следователно налягането на парите не може да бъде по-високо от налягането на наситените пари. Състоянието на насищане се характеризира с масата на насищане, съдържаща се в 1 m3 маса наситена пара, която зависи от температурата. Наситената пара може да стане ненаситена, ако се увеличи обемът или температурата. Ако температурата на парата е много по-висока от точката на кипене, съответстваща на дадено налягане, парата се нарича прегрята.

плазма Нарича се частично или напълно йонизиран газ, в който плътностите на положителните и отрицателните заряди са почти еднакви. Слънцето, звездите, облаците от междузвездна материя са съставени от газове – неутрални или йонизирани (плазма). За разлика от други състояния на агрегация, плазмата е газ от заредени частици (йони, електрони), които електрически взаимодействат помежду си на големи разстояния, но нямат нито къси, нито далечни порядъци в подреждането на частиците.

Течност - Това е агрегатно състояние на веществото, междинно между твърдо и газообразно.

1. Течностите имат някои характеристики на твърдо тяло (запазва обема си, образува повърхност, има определена якост на опън) и газ (приема формата на съда, в който се намира).
2. Топлинното движение на молекулите (атомите) на течността е комбинация от малки колебания около равновесните положения и чести скокове от едно равновесно положение в друго.
3. В същото време възникват бавни движения на молекулите и техните колебания в малки обеми, честите скокове на молекулите нарушават далечния ред в подреждането на частиците и причиняват течливостта на течностите, а малките колебания около равновесните положения причиняват съществуването на къси -обхватен ред в течности.

Течностите и твърдите вещества, за разлика от газовете, могат да се разглеждат като силно кондензирани среди. В тях молекулите (атомите) са разположени много по-близо една до друга и силите на взаимодействие са с няколко порядъка по-големи, отколкото в газовете. Следователно течностите и твърдите вещества имат значително ограничени възможности за разширение, очевидно не могат да заемат произволен обем и при постоянно налягане и температура запазват обема си, независимо в какъв обем са поставени. Преходите от състояние на агрегиране, по-подредено като структура, към по-малко подредено, също могат да се случват непрекъснато. В тази връзка, вместо понятието състояние на агрегиране, е препоръчително да се използва по-широко понятие - понятието фаза.

фаза е съвкупността от всички части на системата, които имат еднакъв химичен състав и са в едно и също състояние. Това е оправдано от едновременното съществуване на термодинамично равновесни фази в многофазна система: течност със собствена наситена пара; вода и лед при точка на топене; две несмесващи се течности (смес от вода с триетиламин), различни по концентрация; съществуването на аморфни твърди вещества, които запазват структурата на течността (аморфно състояние).

Аморфно твърдо състояние на материята е вид преохладено състояние на течност и се различава от обикновените течности със значително по-висок вискозитет и числени стойности на кинетичните характеристики.

Кристално твърдо състояние на материята - това е агрегатно състояние, което се характеризира с големи сили на взаимодействие между частиците на дадено вещество (атоми, молекули, йони). Частиците на твърдите тела се колебаят около средните равновесни позиции, наречени възли на кристалната решетка; структурата на тези вещества се характеризира с висока степен на ред (ред на далечни и къси разстояния) - ред в подреждането (ред на координация), в ориентацията (ред на ориентация) на структурните частици или ред във физичните свойства ( например при ориентацията на магнитни моменти или електрически диполни моменти). Областта на съществуване на нормална течна фаза за чисти течности, течни и течни кристали е ограничена от страна на ниските температури чрез фазови преходи, съответно до твърдо (кристализация), свръхфлуидно и течно-анизотропно състояние.

Всеки, мисля, знае 3 основни агрегатни състояния на материята: течно, твърдо и газообразно. Сблъскваме се с тези състояния на материята всеки ден и навсякъде. Най-често те се разглеждат на примера на водата. Течното състояние на водата е най-познато за нас. Постоянно пием течна вода, тя тече от нашия кран, а ние самите сме 70% течна вода. Второто агрегатно състояние на водата е обикновен лед, който виждаме на улицата през зимата. В газообразна форма водата също е лесна за среща в ежедневието. В газообразно състояние водата, както всички знаем, е пара. Вижда се, когато например сварим чайник. Да, именно при 100 градуса водата преминава от течно в газообразно състояние.

Това са трите познати ни агрегатни състояния на материята. Но знаете ли, че всъщност има 4 от тях? Мисля, че поне веднъж всеки е чувал думата "плазма". И днес искам да научите повече за плазмата - четвъртото състояние на материята.

Плазмата е частично или напълно йонизиран газ с еднаква плътност на положителни и отрицателни заряди. Плазма може да се получи от газ - от 3-то агрегатно състояние чрез силно нагряване. Състоянието на агрегация като цяло всъщност напълно зависи от температурата. Първото агрегатно състояние е най-ниската температура, при която тялото остава твърдо, второто агрегатно състояние е температурата, при която тялото започва да се топи и става течно, третото агрегатно състояние е най-високата температура, при която веществото става газ. За всяко тяло, вещество, температурата на преход от едно агрегатно състояние към друго е напълно различна, за някои е по-ниска, за някои по-висока, но за всички тя е строго в тази последователност. И при каква температура веществото става плазма? Тъй като това е четвъртото състояние, това означава, че температурата на преход към него е по-висока от тази на всяко предишно. И наистина е така. За да се йонизира газ, е необходима много висока температура. Най-нискотемпературната и нискойонизирана (около 1%) плазма се характеризира с температури до 100 хиляди градуса. При земни условия такава плазма може да се наблюдава под формата на светкавица. Температурата на канала на мълнията може да надхвърли 30 хиляди градуса, което е 6 пъти повече от повърхностната температура на Слънцето. Между другото, Слънцето и всички други звезди също са плазма, по-често все още високотемпературна. Науката доказва, че около 99% от цялата материя на Вселената е плазма.

За разлика от нискотемпературната плазма, високотемпературната плазма има почти 100% йонизация и температури до 100 милиона градуса. Това е наистина звездна температура. На Земята такава плазма се среща само в един случай - за експерименти по термоядрен синтез. Контролираната реакция е доста сложна и енергоемка, но неконтролираната се е доказала достатъчно като оръжие с колосална мощ - термоядрена бомба, тествана от СССР на 12 август 1953 г.

Плазмата се класифицира не само по температура и степен на йонизация, но и по плътност и квазинеутралност. фраза плътност на плазматаобикновено означава електронна плътност, тоест броят на свободните електрони на единица обем. Е, с това мисля, че всичко е ясно. Но не всеки знае какво е квазинеутралитет. Квазинеутралността на плазмата е едно от най-важните й свойства, което се състои в почти точното равенство на плътностите на съставните й положителни йони и електрони. Поради добрата електропроводимост на плазмата, разделянето на положителни и отрицателни заряди е невъзможно на разстояния, по-големи от дължината на Дебай и на моменти, по-големи от периода на плазмените трептения. Почти цялата плазма е квазинеутрална. Пример за неквазинеутрална плазма е електронен лъч. Плътността на неутралните плазми обаче трябва да е много ниска, в противен случай те бързо ще се разпаднат поради отблъскване на Кулон.

Разгледахме много малко земни примери за плазма. Но има достатъчно от тях. Човекът се е научил да използва плазмата за свое добро. Благодарение на четвъртото агрегатно състояние можем да използваме газоразрядни лампи, плазмени телевизори, електродъгово заваряване и лазери. Обикновените газоразрядни флуоресцентни лампи също са плазма. В нашия свят има и плазмена лампа. Използва се главно в науката за изучаване и, най-важното, за да се видят някои от най-сложните плазмени явления, включително филамента. Снимка на такава лампа може да се види на снимката по-долу:

В допълнение към домашните плазмени устройства, на Земята често може да се види и естествена плазма. Вече говорихме за един от неговите примери. Това е мълния. Но освен светкавица, плазмените явления могат да бъдат наречени северно сияние, "огньове на Свети Елмо", йоносфера на Земята и, разбира се, огън.

Забележете, че и огънят, и мълнията, и други проявления на плазмата, както я наричаме, горят. Каква е причината за такова ярко излъчване на светлина от плазмата? Плазменото сияние се дължи на прехода на електрони от високоенергийно състояние към нискоенергийно състояние след рекомбинация с йони. Този процес води до излъчване със спектър, съответстващ на възбудения газ. Ето защо плазмата свети.

Бих искал също да разкажа малко за историята на плазмата. В края на краищата, някога само такива вещества като течния компонент на млякото и безцветния компонент на кръвта са се наричали плазма. Всичко се промени през 1879 г. През тази година известният английски учен Уилям Крукс, изследвайки електрическата проводимост на газовете, откри феномена плазма. Вярно, това състояние на материята е наречено плазма едва през 1928 г. И това е направено от Ървинг Лангмюр.

В заключение искам да кажа, че такъв интересен и мистериозен феномен като кълбовидната мълния, за който писах повече от веднъж на този сайт, разбира се, също е плазмоид, като обикновената мълния. Това е може би най-необичайният плазмоид от всички земни плазмени явления. В крайна сметка има около 400 много различни теории за кълбовидната мълния, но нито една от тях не е призната за наистина вярна. В лабораторни условия подобни, но краткотрайни явления са получени по няколко различни начина, така че въпросът за природата на кълбовидната мълния остава открит.

Обикновената плазма, разбира се, също е създадена в лаборатории. Някога беше трудно, но сега такъв експеримент не е труден. Тъй като плазмата твърдо навлезе в домашния ни арсенал, има много експерименти с нея в лаборатории.

Най-интересното откритие в областта на плазмата бяха експериментите с плазма в безтегловност. Оказва се, че плазмата кристализира във вакуум. Това се случва така: заредените частици на плазмата започват да се отблъскват и когато имат ограничен обем, те заемат мястото, което им е отредено, разпръсквайки се в различни посоки. Това е много подобно на кристална решетка. Това не означава ли, че плазмата е затварящото звено между първото агрегатно състояние на материята и третото? В крайна сметка тя се превръща в плазма поради йонизацията на газа, а във вакуум плазмата отново става, така да се каже, твърда. Но това е само мое предположение.

Плазмените кристали в космоса също имат доста странна структура. Тази структура може да се наблюдава и изучава само в космоса, в реален космически вакуум. Дори ако създадете вакуум на Земята и поставите там плазма, тогава гравитацията просто ще изстиска цялата „картина“, която се образува вътре. В космоса обаче плазмените кристали просто излитат, образувайки обемна триизмерна структура със странна форма. След изпращане на резултатите от наблюденията на плазмата в орбита на земните учени се оказа, че завихрянията в плазмата имитират структурата на нашата галактика по странен начин. А това означава, че в бъдеще ще бъде възможно да се разбере как се е родила нашата галактика чрез изучаване на плазмата. Снимките по-долу показват същата кристализирана плазма.

Агрегатно състояние- състояние на материята, характеризиращо се с определени качествени свойства: способност или невъзможност за поддържане на обем и форма, наличие или отсъствие на ред на далечни и къси разстояния и други. Промяната в състоянието на агрегиране може да бъде придружена от скокообразна промяна в свободната енергия, ентропията, плътността и други основни физични свойства.
Има три основни агрегатни състояния: твърдо, течно и газообразно. Понякога не е напълно правилно да се класифицира плазмата като състояние на агрегиране. Има и други състояния на агрегация, например течни кристали или кондензат на Бозе-Айнщайн. Промените в агрегатното състояние са термодинамични процеси, наречени фазови преходи. Разграничават се следните разновидности: от твърди до течни - топящи се; от течно към газообразно - изпарение и кипене; от твърдо в газообразно - сублимация; от газообразно в течно или твърдо състояние - кондензация; от течно към твърдо - кристализация. Отличителна черта е липсата на рязка граница на прехода към плазмено състояние.
Дефинициите на агрегатното състояние не винаги са строги. И така, има аморфни тела, които запазват структурата на течност и имат малка течливост и способност да запазят форма; течните кристали са течни, но в същото време имат някои свойства на твърди вещества, по-специално, те могат да поляризират електромагнитното излъчване, преминаващо през тях. За да се опишат различни състояния във физиката, се използва по-широко понятие за термодинамична фаза. Явленията, които описват преходи от една фаза към друга, се наричат ​​критични явления.
Агрегатното състояние на веществото зависи от физическите условия, в които се намира, главно от температурата и налягането. Определящото количество е отношението на средната потенциална енергия на взаимодействието на молекулите към тяхната средна кинетична енергия. И така, за твърдо тяло това съотношение е по-голямо от 1, за газове е по-малко от 1, а за течности е приблизително равно на 1. Преходът от едно състояние на агрегиране на вещество към друго е придружен от рязка промяна в стойността на това съотношение, свързана с рязката промяна на междумолекулните разстояния и междумолекулните взаимодействия. В газовете междумолекулните разстояния са големи, молекулите почти не взаимодействат помежду си и се движат почти свободно, запълвайки целия обем. В течности и твърди тела - кондензирани среди - молекулите (атомите) са разположени много по-близо една до друга и си взаимодействат по-силно.
Това води до запазване на обема на течностите и твърдите вещества. Въпреки това естеството на движението на молекулите в твърдите тела и течностите е различно, което обяснява разликата в тяхната структура и свойства.
В твърдите тела в кристално състояние атомите вибрират само в близост до възлите на кристалната решетка; структурата на тези тела се характеризира с висока степен на ред - далечен и близък ред. Топлинното движение на молекулите (атомите) на течността е комбинация от малки колебания около равновесните положения и чести скокове от едно равновесно положение в друго. Последните определят съществуването в течностите само на близък ред в подреждането на частиците, както и присъщата им подвижност и течливост.
а. Твърди- състояние, характеризиращо се със способността да се поддържа обем и форма. Атомите на твърдото тяло правят само малки вибрации около състоянието на равновесие. Има както далечен, така и близък ред.
b. Течност- състояние на материята, при което има ниска свиваемост, тоест запазва обема си добре, но не може да запази формата си. Течността лесно приема формата на съда, в който е поставена. Атомите или молекулите на течността вибрират близо до равновесното състояние, заключени от други атоми и често скачат на други свободни места. Има само ред в къси разстояния.
Топене- това е преходът на вещество от твърдо агрегатно състояние (виж Агрегатни състояния на материята) в течност. Този процес се случва по време на нагряване, когато на тялото се предава определено количество топлина +Q. Например, оловото с ниска топимост преминава от твърдо състояние в течно състояние, ако се нагрее до температура от 327 ° C. Оловото лесно се топи на газова печка, например в лъжица от неръждаема стомана (известно е че температурата на пламъка на газовата горелка е 600-850 ° C, а температурата на топене на стоманата - 1300-1500 ° C).
Ако по време на топенето на оловото се измери температурата му, тогава може да се установи, че в началото тя постепенно се повишава, но след определен момент остава постоянна, въпреки по-нататъшното нагряване. Този момент съответства на топенето. Температурата се поддържа постоянна, докато цялото олово се разтопи, и едва тогава започва да се повишава отново. При охлаждане на течното олово се наблюдава обратното: температурата спада, докато започне втвърдяването, и остава постоянна през цялото време, докато оловото премине в твърда фаза, след което отново намалява.
Всички чисти вещества се държат по същия начин. Постоянността на температурата по време на топене е от голямо практическо значение, тъй като позволява калибриране на термометри, изработване на предпазители и индикатори, които се топят при строго определена температура.
Атомите в кристала вибрират около своите равновесни позиции. С повишаване на температурата амплитудата на трептенията се увеличава и достига определена критична стойност, след което кристалната решетка се разрушава. Това изисква допълнителна топлинна енергия, така че по време на процеса на топене температурата не се повишава, въпреки че топлината продължава да тече.
Точката на топене на дадено вещество зависи от налягането. За вещества, чийто обем се увеличава по време на топене (и по-голямата част от тях), повишаването на налягането повишава точката на топене и обратно. При водата обемът намалява по време на топенето (следователно, когато замръзне, водата счупва тръби), а когато налягането се увеличи, ледът се топи при по-ниска температура. Бисмутът, галият и някои видове чугун се държат по подобен начин.
в. Газ- състояние, характеризиращо се с добра свиваемост, липса на способност за запазване на обем и форма. Газът има тенденция да заема целия предоставен му обем. Атомите или молекулите на газа се държат относително свободно, разстоянията между тях са много по-големи от техния размер.
Плазмата, често наричана състояние на агрегиране на материята, се различава от газа по високата степен на йонизация на атомите. Повечето от барионната материя (по маса приблизително 99,9%) във Вселената е в състояние на плазма.
g. C суперкритична течност- Възниква при едновременно повишаване на температурата и налягането до критична точка, при която плътността на газа се сравнява с плътността на течността; в този случай границата между течната и газообразната фаза изчезва. Свръхкритичната течност има изключително висока разтворимост.
д. Кондензат на Бозе-Айнщайн- получава се чрез охлаждане на бозе газ до температури близки до абсолютната нула. В резултат на това някои от атомите са в състояние със строго нулева енергия (т.е. във възможно най-ниското квантово състояние). Кондензатът на Бозе-Айнщайн проявява редица квантови свойства като свръхфлуидност и резонанс на Фишбах.
д. Фермионен кондензат- е бозе-кондензация в режим BCS на "атомни двойки Купър" в газове, състоящи се от фермионни атоми. (За разлика от традиционния режим на Бозе-Айнщайнова кондензация на съставни бозони).
Такива фермионни атомни кондензати са "роднини" на свръхпроводниците, но с критична температура от порядъка на стайна температура и нагоре.
Изродена материя - Ферми газ 1-ви етап Електронно изроденият газ, наблюдаван в белите джуджета, играе важна роля в еволюцията на звездите. Вторият етап е неутронното състояние, при което материята преминава под свръхвисоко налягане, което все още е непостижимо в лабораторията, но съществува вътре в неутронните звезди. При прехода към неутронно състояние електроните на материята взаимодействат с протоните и се превръщат в неутрони. В резултат на това материята в неутронно състояние се състои изцяло от неутрони и има плътност от порядъка на ядрената. Температурата на веществото в този случай не трябва да бъде твърде висока (в енергиен еквивалент, не повече от сто MeV).
При силно повишаване на температурата (стотици MeV и повече), в неутронно състояние, различни мезони започват да се раждат и анихилират. При по-нататъшно повишаване на температурата настъпва деконфайнмънт и материята преминава в състояние на кварк-глюонна плазма. Тя вече не се състои от адрони, а от постоянно раждащи се и изчезващи кварки и глуони. Може би деконфинирането става на два етапа.
При по-нататъшно неограничено увеличаване на налягането без повишаване на температурата, материята колабира в черна дупка.
При едновременно повишаване както на налягането, така и на температурата, към кварките и глуоните се добавят други частици. Какво се случва с материята, пространството и времето при температури, близки до температурата на Планк, все още не е известно.
Други държави
При дълбоко охлаждане някои (в никакъв случай не всички) вещества преминават в свръхпроводящо или свръхфлуидно състояние. Тези състояния, разбира се, са отделни термодинамични фази, но едва ли заслужават да се наричат ​​нови агрегатни състояния на материята поради тяхната неуниверсалност.
Нехомогенни вещества като пасти, гелове, суспензии, аерозоли и др., които при определени условия проявяват свойствата както на твърди вещества, така и на течности и дори газове, обикновено се класифицират като диспергирани материали, а не към някакви специфични агрегатни състояния на материята.

В зависимост от температурата и налягането, всяко вещество е способно да приема различни агрегатни състояния. Всяко такова състояние се характеризира с определени качествени свойства, които остават непроменени в рамките на температурите и наляганията, необходими за дадено агрегатно състояние.

Характерните свойства на агрегатните състояния включват например способността на тялото в твърдо състояние да поддържа формата си или обратното, способността на течното тяло да променя формата си. Въпреки това, понякога границите между различните състояния на материята са доста размити, както в случая с течните кристали или така наречените „аморфни тела“, които могат да бъдат еластични като твърди тела и течни като течности.

Преходът между агрегатните състояния може да се случи с освобождаване на свободна енергия, промени в плътността, ентропията или други физически величини. Преходът от едно агрегатно състояние към друго се нарича фазов преход, а явленията, съпътстващи тези преходи, се наричат ​​критични явления.

Списък на известните агрегатни състояния